Microbial functions in the host physiology are a result of the microbiota-host co-evolution. We show that cold exposure leads to marked shift of the microbiota composition, referred to as cold microbiota. Transplantation of the cold microbiota to germ-free mice is sufficient to increase insulin sensitivity of the host and enable tolerance to cold partly by promoting the white fat browning, leading to increased energy expenditure and fat loss. During prolonged cold, however, the body weight loss is attenuated, caused by adaptive mechanisms maximizing caloric uptake and increasing intestinal, villi, and microvilli lengths. This increased absorptive surface is transferable with the cold microbiota, leading to altered intestinal gene expression promoting tissue remodeling and suppression of apoptosis—the effect diminished by co-transplanting the most cold-downregulated strain Akkermansia muciniphila during the cold microbiota transfer. Our results demonstrate the microbiota as a key factor orchestrating the overall energy homeostasis during increased demand.

Browning of white adipose tissue is induced by depletion of the microbiota, improving metabolic disease and reducing obesity. Brown adipose tissue (BAT) promotes a lean and healthy phenotype and improves insulin sensitivity1. In response to cold or exercise, brown fat cells also emerge in the white adipose tissue (WAT; also known as beige cells), a process known as browning2,3,4. Here we show that the development of functional beige fat in the inguinal subcutaneous adipose tissue (ingSAT) and perigonadal visceral adipose tissue (pgVAT) is promoted by the depletion of microbiota either by means of antibiotic treatment or in germ-free mice. This leads to improved glucose tolerance and insulin sensitivity and decreased white fat and adipocyte size in lean mice, obese leptin-deficient ( ob/ob ) mice and high-fat diet (HFD)-fed mice. Such metabolic improvements are mediated by eosinophil infiltration, enhanced type 2 cytokine signaling and M2 macrophage polarization in the subcutaneous white fat depots of microbiota-depleted animals. The metabolic phenotype and the browning of the subcutaneous fat are impaired by the suppression of type 2 cytokine signaling, and they are reversed by recolonization of the antibiotic-treated or germ-free mice with microbes. These results provide insight into the microbiota-fat signaling axis and beige-fat development in health and metabolic disease.

Caloric restriction (CR) stimulates development of functional beige fat and extends healthy lifespan. Here we show that compositional and functional changes in the gut microbiota contribute to a number of CR-induced metabolic improvements and promote fat browning. Mechanistically, these effects are linked to a lower expression of the key bacterial enzymes necessary for the lipid A biosynthesis, a critical lipopolysaccharide (LPS) building component. The decreased LPS dictates the tone of the innate immune response during CR, leading to increased eosinophil infiltration and anti-inflammatory macrophage polarization in fat of the CR animals. Genetic and pharmacological suppression of the LPS-TLR4 pathway or transplantation with Tlr4−/− bone-marrow-derived hematopoietic cells increases beige fat development and ameliorates diet-induced fatty liver, while Tlr4−/− or microbiota-depleted mice are resistant to further CR-stimulated metabolic alterations. These data reveal signals critical for our understanding of the microbiota-fat signaling axis during CR and provide potential new anti-obesity therapeutics.